一種高強度柔性石墨雙極板及其製備方法
2024-02-16 16:25:15 2
專利名稱：一種高強度柔性石墨雙極板及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種純柔性石墨與酚醛樹脂複合的燃料電池雙極板及其製備方法。屬於燃料電池雙極板材料與製造技術領域。
背景技術：
質子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)的雙極板(Bipolar Plates)，也稱集流板，起著分隔氧化劑與還原劑的作用，並將反應物通過板面的流場均勻分配到電極各處，與電極催化劑層進行電化學反應。因此，為了有效的分隔氧化劑與還原劑，雙極板要求具有很好的阻氣功能；雙極板具有集流作用，要求雙極板必須是電的良導體；確保電池在工作時溫度分布均勻並使電池的廢熱順利排除，雙極板必須是熱的良導體；而且雙極板必須具有很強的抗腐蝕能力，因為燃料電池電解質為酸性條件；同時，雙極板兩側應加工或置有使反應氣體均勻分布的通道(即所謂的流場)，以確保反應氣在整個電極各處的均勻分布，因此雙極板應具有良好的加工性能和機械性能；為了提高電池的體積功率和質量功率，雙極板還應具有密度小、質量輕、體積小的優點。這樣，作為質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池雙極板的基本要求為耐腐蝕，導電性能好，透氣率低，重量輕。目前雙極板主要採用的材料有金屬材料、不透性石墨(人造石墨)、炭-炭複合材料。採用人造石墨製造的雙極板導電及耐腐蝕性均好。缺點是人造石墨的製作程序複雜而嚴格，耗工費時。而且，由於人造石墨質脆，因此要求雙極板的厚度較大，一般為3mm左右，不利於電池體積比功率的提高，同時使得流場加工困難，成本極高，不利於批量商業化生產。目前人造石墨多使用於燃料電池性能測試和燃料電池研究。金屬材料製造的雙極板，厚度小(一般可達到0. 1 0. 5mm)，有利於體積比功率的提高；可採用衝壓衝剪等機械化生產方法加工孔道與流場，加工成本低、方法簡單，適於商業化大批量生產。但是，金屬材料雙極板經過長期使用易受腐蝕，腐蝕後產生氧化膜，造成導電率降低，因此必須解決金屬板的腐蝕問題。目前，多採用的是金屬表面改性。通過改性，不但可防止輕微腐蝕的產生，而且可以使接觸電阻保持恆定，不隨時間而增大。如專利 US6, 426, 161介紹了利用鎂、鋁製造燃料電池雙極板，並且提出了利用電鍍、電化學沉積或其它方法在金屬表面合成薄膜，如金屬-聚四氟乙烯；專利US5，776,6 介紹了利用黃銅製備質子交換膜燃料電池雙極板，並且提出雙極板由幾層構成，表面為一種合金，含有鎳、鉻、 鈦；專利W02001/28020-A1提出在金屬表面鍍(PVD)TixAlyN耐蝕導電塗層，並用非晶石墨封孔製備燃料電池雙極板。還有利用柔性石墨紙與不鏽鋼板一起模壓製造金屬材料雙極板。 總之，其主要目的是增強金屬板的耐腐蝕性，但是這些保護膜會影響金屬的導電性並且使雙極板的成本大大提高。因此，金屬材料製造質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池雙極板還需要深入的研究。近年來，國內外還開發了一系列炭類雙極板材料，如專利US6，248, 467-B1提出模
3壓乙烯基樹脂+石墨粉末製造PEMFC雙極板；專利CN1282349提出了用10 30wt%低粘度熱固性樹脂和70 90wt%導電骨料模壓製造複合材料雙極板；專利EP1192032-A1提出用膨脹石墨和熱塑性樹脂製備燃料電池雙極板；還有專利提出用樹脂浸漬改善硬石墨材料，使流場容易加工，並且採用模壓、注塑等快速成型方法，或者用石墨填充聚合物的方法等等。這些雙極板多採用炭與樹脂作基體材料，利用注塑、熱壓成型的方法，可以大大降低雙極板的製造成本，但是其導電性能、雙極板厚度、重量方面都不是很理想。柔性石墨具有雙極板所需的耐腐蝕，導電、導熱性能好，密度低等基本優點，因此有專利提出柔性石墨與樹脂或金屬板複合，但是一方面成本較高，另一方面仍會出現導電率不好的問題。
發明內容
為解決現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提出一種耐腐蝕，導電、導熱性能好、且製備工藝簡單、成本低的柔性石墨雙極板及其製備方法。本發明提出的一種高強度柔性石墨雙極板，其特徵在於它主要含有膨脹石墨蠕蟲和添加劑，所述石墨蠕蟲中含碳量不小於99wt%。在上述柔性石墨雙極板中，所述膨脹石墨蠕蟲用電化學法插層鱗片製備，也可用已有方法製備膨脹石墨，並且在900 1000°C下膨化製備膨脹石墨蠕蟲。本發明提出的一種柔性石墨雙極板的製備方法，其特徵在於所述方法依次按如下步驟進行(1)將石墨蠕蟲填入模具中，在30 IOOMI^壓力下直接成型，一步形成流場及進、 出氣、水孔；(2)用酚醛樹脂浸漬雙極板，並在100 200°C進行熱處理1 2小時。在上述製備方法中，步驟(1)可採用分步成型方法，即先將石墨蠕蟲填入模具中， 在10 20MPa壓力下成型柔性石墨平板，然後放入上下模芯及烘乾後的平板，在30 IOOMI5a壓力下成型雙極板，直接形成流場及進、出氣、水孔。利用本發明的方法製備的燃料電池雙極板密度為1. 5 1. 8g/cm3，厚度為1. 0 3. 0mm。直接成型的純石墨蠕蟲雙極板抗拉強度為6 15MPa，經過浸漬處理的雙極板強度為20 30MPa。浸漬後的雙極板具有耐腐蝕，與電極、電解質不發生作用、重量輕、厚度小、 導電、導熱性能好，防透氣性能好，且製備工藝簡單、成本低等優點。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做進一步說明實施例11)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，放入上、下模芯，在40士 lOMI^a壓力下直接成型雙極板；2)浸漬酚醛樹脂，150°C熱處理2小時；3)所得雙極板厚度為1.0 3. 0mm，密度為1. 2 1. 5g/cm3，導電率為LOXlO4S/ m 1. 0 X 105S/m,導熱率大於 90ff/m · k。實施例2
1)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在10 20MPa壓力下成型柔性石墨平板；2)放入上下模芯及平板，在80士 IOMPa壓力下，成型雙極板；3)表面塗502膠，100°C熱處理1小時；4)所得雙極板厚度為1. 0 3. Omm,密度為1. 5 1. 7g/cm3,導電率為1.0X IO4S/ m 1. 0 X 105S/m,導熱率大於 100ff/m · k。實施例31)利用120°C電化學插層得到的可膨脹石墨半小時；2)在900 1000°C下膨化製備膨脹石墨蠕蟲；3)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在15MPa壓力下成型柔性石墨平板；4)浸漬酚醛樹脂，200°C熱處理2小時；5)放入上下模芯及平板，在50士 IOMPa壓力下，成型雙極板；6)所得雙極板厚度為1. O 3. Omm，密度為1. 2 1. 6g/cm3,導電率大於 1.0X 104S/m,導熱率大於 80W/m · k。實施例41)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在10 20MPa壓力下成型柔性石墨平板；2)取出平板，並將平板放入120°C，10wt%硼酸溶液中浸漬半小時；3)放入上下模芯及平板，在60 士 IOMPa壓力下成型雙極板；4)浸漬酚醛樹脂，120°C熱處理2小時；5)所得雙極板厚度為1. O 3. Omm，密度為1. 3 1. 6g/cm3,導電率大於 1.0X 104S/m,導熱率大於 80W/m · k。實施例51)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在10 20MPa壓力下成型柔性石墨平板；2)放入上下模芯，在70 士 IOMPa壓力下成型雙極板；3)浸漬酚醛樹脂，180°C熱處理2小時；4)所得雙極板厚度為1. O 3. Omm，密度為1. 5 1. 7g/cm3,導電率大於 1.0X 104S/m,導熱率大於 80W/m · k。
權利要求
1.一種高強度柔性石墨雙極板，其特徵在於它主要含有膨脹石墨蠕蟲和酚醛樹脂， 所述石墨蠕蟲中含碳量不小於99wt% ；所述膨脹石墨蠕蟲用電化學法插層鱗片製備，或用已有方法製備膨脹石墨，並且在900 1000°C下膨化製備膨脹石墨蠕蟲。
2.一種高強度柔性石墨雙極板的製備方法，其特徵在於所述方法依次按如下步驟進行(1)將石墨蠕蟲填入模具中，在30 IOOMI5a壓力下直接成型，一步形成流場及進、出氣、水孔；(2)用濃度為5 20wt%的酚醛樹脂浸漬雙極板，並在100 200°C進行熱處理1 2 小時。
3.按照權利要求2所述的一種高強度柔性石墨雙極板的製備方法，其特徵在於步驟 (1)採用分步成型方法，即先將石墨蠕蟲填入模具中，在10 20MI^壓力下成型柔性石墨平板，然後放入上下模芯及烘乾後的平板，在30 IOOMI^壓力下成型雙極板，直接形成流場及進、出氣、水孔。
全文摘要
本發明涉及一種高強度柔性石墨燃料電池雙極板及其製備方法，屬於燃料電池雙極板材料技術領域。其特徵在於整個雙極板是由石墨蠕蟲和酚醛樹脂組成。具體製備方法是將石墨蠕蟲填加入模具中，採用模壓或輥壓的方法直接成型或分步成型雙極板，成型壓力為30～100MPa。本發明製備的燃料電池雙極板密度為1.2～1.7g/cm3，厚度為1.0～3.0mm。直接成型的石墨蠕蟲與酚醛樹脂複合雙極板抗拉強度為6～15MPa，經過浸漬處理的雙極板抗拉強度為20～30MPa。浸漬後的雙極板具有耐腐蝕，與電極、電解質不發生作用、重量輕、厚度小、導電、導熱性能好，防透氣性能好，且製備工藝簡單、成本低的優點。
文檔編號H01M4/88GK102569834SQ20101059937
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者馮彪, 沈萬慈, 鄭永平 申請人:清華大學